CC BY
374
The article proposes an approach to taking into account the variable parameters of controlled objects beyond the permissible limits, which allows timely detection of a pre-emergency situation of telecommunications equipment of special-purpose communication networks.
Key words: telecommunication equipment, sensor, reliability, random variable.
Zaikin Nikolay Nikolaevich, lecturer, zaykin53@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications
УДК 621.396.96
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-402-408
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОТРАЖЕНИЙ ОТ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С МАЛОЙ ЭФФЕКТИВНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
РАССЕЯНИЯ
Н.В. Шестаков
Рассмотрена структура доплеровских отражений от различных целей с малой ЭПР. Приведены результаты натурных исследований, реализованных на радиолокаторе S диапазона длин волн. Представлены спектрограммы, полученные от различных типов целей с разной ЭПР при различных ракурсах облучения.
Ключевые слова: радиолокационный портрет, доплеровские отражения.
В последние годы количество малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) значительно увеличилось. Беспилотные летательные системы традиционно ассоциировались с решением сугубо военных задач, однако широкое распространение БПЛА вызвано не только расширением их военного применения. Доступность и простота в использовании, низкая стоимость привели к появлению огромного количества БПЛА, управляемых гражданскими пользователями.
Разработка относительно дешевых и малогабаритных систем управления беспилотными аппаратами повлекло значительное увеличение количества миниатюрных БПЛА среди общего количества. Данное обстоятельство не могло не отразиться на ужесточении требований, предъявляемых к системам безопасности. Потребность в системах, которые могут распознать несанкционированное использование миниатюрных аппаратов, существенно возрастает. Дешевые и простые в использовании БПЛА, помимо военной угрозы, которую могут представлять эти объекты, также могут использоваться злоумышленниками в преступной и террористической деятельности. Таким образом, миниатюрные БПЛА считаются угрозой, как в гражданской, так и в военной сферах. На данный момент большое распространение беспилотные аппараты получили в развлекательных целях, что также негативно влияет на безопасность полётов, ведь неопытный пользователь увеличивает шансы аппаратов сбиться с курса и попасть в контролируемое воздушное пространство [1, 2].
Современные средства радиолокации являются эффективными устройствами для обнаружения и классификации разнообразных целей в густонаселенной городской среде [3,4]. Однако обнаружение миниатюрных БПЛА посредством радиолокационных систем (РЛС) представляет некоторую сложность, связанную с тем, что беспилотные аппараты имеют тенденцию летать с небольшими скоростями на низких высотах, а также обладают малой эффективной площадью рассеяния (ЭПР) [5]. Малая высота полета и низкая скорость, малая ЭПР могут затруднить выделение цели при обнаружении в обстановке с помехами.
Сегодня РЛС активно применяются главным образом для обнаружения, определения координат и сопровождения целей, в том числе и объектов с низким ЭПР, что делает их перспективным средством для использования в современных системах контроля воздушного движения и обеспечения безопасности. Однако во многих случаях для оценки степени потенциальной угрозы помимо обнаружения, также необходимо уметь распознавать БПЛА на фоне биологических объектов, таких, как птицы, которые часто присутствуют в приземных секторах
наблюдения. Различение БПЛА и птиц представляет серьёзную сложность при классификации целей, так как они могут иметь схожие значения ЭПР и траекторию полёта. Представляют особое значение определение сигнальных признаков малых БПЛА, а также возможности их распознавания с помощью РЛС работающей в S диапазоне [6]. Данные типы РЛС чаще всего применяются для обзора воздушного пространства и определения точных координат летающих объектов.
Целью работы, описанной в данной статье, является экспериментальное исследование спектральных портретов, отраженных от малых БПЛА, полученных с помощью активной РЛС, работающей в S диапазоне длин волн.
Для проведения экспериментальных полетов были выбраны три модели малоразмерных БПЛА, включая два квадрокоптера различных модификаций и БПЛА самолетного типа. Первый квадрокоптер DJI Phantom 3 имеет габаритные размеры 40^40^19 см и диаметр лопасти пропеллеров 23 см (рис.1, а).
i£t -— »
а
л
б
а
в
Рис. 1. Изображения экспериментальных БПЛА: квадрокоптер DJI Phantom 3 (а), квадрокоптер DJIMavic AIR 2 (б) и одновинтовой БПЛА самолетного типа
SenseFly eBee (в)
Второй квадрокоптер - DJI Mavic AIR 2 с меньшими габаритными размерами 18,3x7,7x25,3 см (рис.1,б). Третий БПЛА самолетного типа SenseFly eBee с габаритными размерами 42x96x16 см. Данные модели малых БПЛА были выбраны за их широкое распространение в гражданской сфере, а также за разные показатели ЭПР.
Исследования проводились облетами всеми видами мини БПЛА описанными выше. Облеты проходили по нескольким схемам движения:
-прямолинейное движение (удаление от заданной точки на определённое расстояние и возвращение в точку взлета);
-движение по треугольнику (между точкой взлета и точкой возвращения присутствует третья точка, равноудаленная от первых двух и не находящаяся на одной прямой с ними);
-движение змейкой (БПЛА летит от точки возвращения, в точку взлета отклоняясь влево и вправо от линии соединяющей их, совершая повороты).
Эксперименты в S диапазоне длин волн проводились на доплеровском радиолокаторе с высоким разрешением по дальности, работающим в моноимпульсном режиме с когерентным накоплением. Данный радиолокатор разработан Центральным конструкторским бюро аппара-тостроения (АО ЦКБА, г. Тула) и носит название радиолокационная станция обзора воздушного пространства (РЛС ОВП). РЛС ОВП применяется для обнаружения различных типов воздушных целей, в том числе и малоразмерных БПЛА. Основные характеристики РЛС ОВП приведены в таблице.
При проведении облетов для всех типов мини БПЛА были получены спектральные портреты в S диапазоне, записанные с выхода суммарного канала антенного тракта [7].
Каждый БПЛА, участвующий в эксперименте, имеет вращающиеся лопасти, которые могут производить заметные флуктуации ЭПР, приводящие к появлению в матрице допплеров-ских спектров дополнительных модуляционных составляющих вокруг отражения от корпуса мини БПЛА, так называемого эффекта «пропеллерной модуляции» [8]. Спектрограммы отраженных сигналов от первого типа квадрокоптера - DJI Phantom 3 с лопастями из пластика представлены на рис. 2. Данные спектрограммы собраны для двух периодов зондирующих пачек импульсов шириной 6мкс: 110мкс (рис. 2, а, б) и 114мкс (рис. 2, в, г). Они представляют собой отметки цели в координатах время запаздывания сигнала - доплеровская частота (рис. 2, а, в) и зависимости амплитуды отражений (в дБ) от доплеровской частоты (рис. 2, б, г).
Основные характеристики радиолокационной станции обзора воздушного пространства
№ п/п Характеристика Величина
1 Дальность обнаружения целей с ЭПР более 0,1м2, км 15-30
2 Дальность обнаружения целей с ЭПР менее 0,01м2,км 7
3 Диапазон углов сканирования по азимуту, град ±45
4 Диапазон углов сканирования по углу места, град - 5 до +45
5 Частота излучения, ГГц 2,7-2,8
6 Длительность импульсов, мкс 6,10
7 Скважность 10-15
8 Разрешение по дальности, м 10
9 Потребляемая мощность, Вт 500
10 Масса аппаратуры радиолокатора, кг 100
64
32
О
S О
БПЛА
12 18 Т. us
Ь
< ТО
-128 -ее -64
3 во
Ъ.
Е
< 70
-12В -96 -64
-32 0 32 64 96 129 Freq,ch б
БП№ Шум
-32 0 32 64 96 12В Freq,ch
Рис. 2. Спектрограммы сигналов, отраженных от квадрокоптера DJI Phantom 3 для периодов зондирующих импульсов 110 мкс (а, б) и 114 мкс (в, г)
Представляет интерес вид отражений от квадрокоптера при увеличении ширины импульсов и периода их следования. На рис. 3 представлены спектрограммы отраженных сигналов от квадрокоптера DJI Phantom 3 при ширине зондирующего импульса 10мкс и двух периодах 200мкс (рис.3. а, б) и 156мкс (рис.3. в, г).
а
г
в
Птица
<— БПЛА
-64 -96 -12В '
-126 -96 -64 -32 0 32 64 96 120
Freq.ch б
БПЛА
120 110 100
û- 70 <
30
-126 -06 -64 -32 0 32 64 56 123
Freq.ch
г
Рис. 3. Спектрограммы сигналов, отраженных от квадрокоптера DJI Phantom 3 для периодов зондирующих импульсов 200 мкс (а, б) и 156 мкс (в, г)
При внимательном рассмотрении полученных спектрограмм видны характерные модуляции от несущих винтов. Испытания проводились со штатными лопастями квадрокоптера выполненными из пластика - материала со слабыми отражающими способностями, что не помешало получить от них дополнительные отражения. При проведении облетов было отмечено влияние дальности до объекта исследования на значение амплитуды модуляций вызванных работой винтов. При удалении квадрокоптера от точки установки радара амплитуда гармоник уменьшалась. Следует отметить, что траектория полета не влияла на спектральные отражения от квадрокоптера и на наличие или отсутствие дополнительных отражений от винтов. Это связано с тем, что при любом ракурсе квадрокоптера винты хорошо просматриваются.
С целью исследования различных ЭПР мини БПЛА был выбран второй квадрокоптер DJI Mavic AIR 2. Данный мини БПЛА имеет габаритные размеры и диаметр винтов меньший по сравнению с квадрокоптером DJI Phantom 3, а значит и меньшую ЭПР. Спектрограммы отраженного сигнала от квадрокоптера приведены на рис. 3.
Эксперименты с участием квадрокоптер DJI Mavic AIR 2 позволили получить спектральные портреты на различных дальностях, характерные для объектов с меньшим ЭПР. На рис. 3 представлены спектральные картины для периодов зондирующих пачек импульсов: 110мкс (рис. 4. а, б) и 114мкс (рис.4. в, г).
Экспериментальные данные говорят о том, что габариты мини БПЛА и его движителей влияют прямо пропорционально на дальность обнаружения и на значение амплитуды модуляций, вызванных работой винтов; с уменьшением ЭПР винтов уменьшается и амплитуда модуляций. Было также отмечено, что изменение ракурса наблюдения РЛС квадрокоптера не сильно влияло на величину амплитуды сигнала, отраженного от лопастей, это имеет место ввиду конструктивных особенностей расположения движителей. Они не затеняются корпусом БПЛА при любых ракурсах наблюдения.
Для расширения экспериментальной базы был выбран БПЛА самолетного типа. Данный тип мини БПЛА представляет особый интерес, так как конструктивно отличается от квадрокоптеров и имеет один толкающий винт.
а
в
БПЛА
Рис.4. Спектрограммы сигналов, отраженных от квадрокоптер DJIMavic AIR 2 для периодов зондирующих импульсов 110 мкс (а, б) и 114 мкс (в, г)
При проведении экспериментальных облетов с участием одновинтовой БПЛА самолетного типа SenseFly eBee были получены спектральные картины для ширины зондирующего импульса 10мкс для двух периодов зондирующих пачек импульсов: 200мкс (рис. 5. а, б) и 156мкс (рис.5. в, г).
-а 80
Я- 70
-128 -96 -64
32 64 96 128
Freq,ch б
16.8 22.2 T,us
-128 -96 -64 -32 0 32 64 96 128 Freq.ch
Рис. 5. Спектрограммы сигналов, отраженных от одновинтового БПЛА самолетного типа SenseFly eBee для периодов зондирующих импульсов 200 мкс (а, б) и 156 мкс (в, г)
406
а
в
г
а
в
г
Облеты мини БПЛА самолетного типа показали затенение винта корпусом БПЛА, что приводило к отсутствию от него спектральных гармоник. При движении к РЛС отражение от винта было более четким и явно просматривались частотные гармоники, зависящие от его скорости вращения.
Заключение. В ходе экспериментальных исследований был проведен анализ отражений от мини БПЛА различных типов и в различных ракурсах, полученных с помощью РЛС работающей в S диапазоне длин волн. Результаты исследования показали, что при отражении сигнала подсвета от БПЛА возникает эффект пропеллерной модуляции, который характеризуется наличием дополнительных составляющих вокруг отражения от корпуса или планера БПЛА. Частота повторения дополнительных гармоник зависит от скорости вращения пропеллера. Данный эффект может быть использован не только для селекции БПЛА от других целей, но и для их классификации по типу. На величину эффекта пропеллерной модуляции влияют габаритные размеры винтов, дальность полета БПЛА от РЛС, а также параметры зондирующего сигнала. С увеличением габаритных размеров движителей и ширины зондирующего импульса значение амплитуды дополнительных гармоник будет увеличиваться.
Список литературы
1. Кошкин Р.П. Беспилотные авиационные системы. М.: Стратегические приоритеты, 2016. 676 с.
2. Цепляева Т.П., Поздышева Е.М., Поштаренко А.Г. Анализ применения беспилотных комплексов // Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». С. 149 - 154. [Электронный ресурс] URL: https://docplayer.com/31423676-Analiz-primeneniya-bespilotnyh-kompleksov.html (дата обращения: 16.09.2021).
3. Bjorklund S. Target Detection and Classification of Small Drones by Boosting on Radar Micro-Doppler. 15th European Radar Conference (EuRAD), Madrid, 2018. P.182-185.
4. de Quevedo Á.D., Urzaiz F.I., Menoyo J.G., López A.A. Drone Detection With X-Band Ubiquitous Radar. 19th International Radar Symposium (IRS), Bonn, 2018. P. 1-10.
5. Соловьев В.А. Проблемы обнаружения беспилотных летательных аппаратов оптико-электронными устройствами // Электронный математический и медико-биологический журнал. 2011. Т. 10. Вып. 3. С. 1-13.
6. Peto T., Bilicz S., Szücs L. et al. The Radar Cross Section of small propellers on Unmanned Aerial Vehicles // 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Davos, Switzerland, 2016. P. 1-4.
7. Ермоленко В.П., Митрофанов Д.Г., Коваленков Н.Н. Учет вида зондирующего сигнала и архитектурных особенностей радиолокационных целей при определении потенциальных возможностей их распознавания. Зарубежная радиоэлектроника, № 11. 1996. 126 с.
8. Ширман Я.Д., Горшков С.А., Лещенко С.П. и др. Методы радиолокационного распознавания и их моделирование // Научно-технические серии. Радиолокация и радиометрия №2. Радиолокационное распознавание и методы математического моделирования. 2000. №3. С. 5-65.
Шестаков Николай Владимирович, аспирант, shestakov.nikolay86@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский Государственный университет
INVESTIGATION OF RADAR REFLECTIONS FROM UNMANNED AERIAL VEHICLES WITH A SMALL EFFECTIVE SCATTERING SURFACE
N.V. Shestakov
The structure of Doppler reflections from various targets with low ESR is considered. The results offield studies carried out on the radar of the S wavelength range are presented. Spectrograms obtained from different types of targets with different EPR at different irradiation angles are presented.
Key words: radar portrait, Doppler reflections.
Shestakov Nikolay Vladimirovich, postgraduate, shestakov.nikolay86@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
